Лекция 3. Лекция 3 Методы регулярного режима 3го рода
 Скачать 425.74 Kb.
|
1 2 Лекция 3 Методы регулярного режима 3-го рода. Методы регулярного режима 3-го рода. Температурная волна. Методы создания температурных волн. Методы решения уравнения теплопроводности для периодических тепловых воздействий. Одномерная тепловая задача. Экспериментально определяемые параметры тепловой волны. Методы регулярного режима 3-го рода. Изначально метод регулярного режима третьего носил название метода Ангстрема и использовался для определения коэффициента температуропроводности металлов путем измерения временной задержки тепловых колебаний, распространяющихся вдоль металлического стержня между двумя выбранными точками. Идея методики Ангстрема лежит в основе большинства методов температурных волн. дальнейшем проблемой исследования теплофизических свойств материалов методом регулярного режима третьего рода занимались многие ученые. Со времени опубликования работы Л. П. Филиппова «Измерения теплофизических свойств веществ методом периодического нагрева» метод получил дальнейшее развитие. Если ранее этот метод использовался в основном для измерения комплекса ТФС газов и жидкостей широком диапазоне состояний, то в настоящее время он превратился в общефизический метод исследования широкого класса явлений, проявляющих себя, прежде всего, в особенностях поведения тепловых свойств веществ. Метод регулярного режима третьего рода стал шире использоваться для исследования теплофизических свойств твердых тел, он является одним из немногих способов изучения свойств тонких пленок толщиной в сотни ангстрем. На основе метода периодического нагрева создаются тепловые сканирующие микроскопы, на его базе возникла новая область теплофизики – тепловая спектроскопия. Возможность варьирования глубины проникновения температурной волны вглубь вещества реализуется в дефектоскопии и работах по определению профиля теплопроводности поверхностных слоев исследуемых материалов. Несомненный интерес представляют исследования, в которых температурные волны создаются в потоках жидкости и в проницаемых средах (горных породах) при фильтрации жидкой фазы. Одной их уникальных возможностей метода является возможность регистрации нелинейных эффектов по появлению дополнительных гармоник в спектре колебаний температур. Классификация методов регулярного режима третьего рода Методы регулярного режима третьего рода могут быть применены к различным объектам исследования, отличающимся по размерам, фазовому состоянию и видам теплопереноса. Исходя из этого, вопросы реализации методов периодического нагрева можно классифицировать по следующим признакам, обозначенным на рис. 1.1.  Рис. 1.1. Классификация методов периодического нагрева Температурная волна. Методы создания температурных волн. При использовании электронного потока для создания температурной волны источник электронов и исследуемый образец объединяют в единую систему, которая образует вакуумный диод. Достоинство данного способа заключается в простоте его реализации с возможностью управления электронным потоком, а значит и средней температурой образца. Однако у данного способа создания температурных волн есть существенный недостаток – образец должен являться электропроводящим материалом, поэтому данный подход можно использовать только для исследования свойств проводников. Кроме того, при высоких температурах происходит сублимация образца из-за необходимости работы в вакууме. случае создания температурных волн электромагнитным излучением (радиационный нагрев) электрические свойства исследуемого материала не имеют решающего значения, а сублимации образца можно избежать за счет заполнения рабочей среды благородным газом. Достоинством данного метода является возможность использования термопар для надежной регистрации температурных возмущений, что является необходимым условием при расчете ТФС. Пример фототермического метода генерации температурной волны продемонстрирован в работе. В данном случае образец периодически нагревают при помощи светового излучения с модуляцией интенсивности светового потока, причем излучение частично абсорбируется окружающей средой. Недостатком данного метода является необходимость использования нескольких фотоприемников излучения для регистрации температуры и фазы температурной волны (ввиду непостоянства их чувствительности в различных спектральных интервалах измерений) при измерениях ТФС в широком интервале температур. Это создает значительные сложности при измерениях в диапазоне низких и средних температур, где для регистрации теплового потока, особенно при высоких частотах модуляции, могут использоваться только охлаждаемые фоторезистивные приемники. В случае термоэлектрического метода зачастую применяют элемент Пельтье, что является эффективным способом задания периодического температурного воздействия на образец. Термоэлектрический материал, из которого изготавливается элемент Пельтье – сплав из висмута, теллура, селена и сурьмы, имеющий в своем составе необходимые примеси, позволяющие создать слиток с ориентированной поликристаллической решеткой с высокоанизотропными термоэлектрическими свойствами. Металлизированные квадратные керамические пластины обеспечивают максимальную электрическую изоляцию и теплопроводность. Диапазон рабочих температур устройства от –150 до +80 °C. Данный метод очень удобен для исследования ТФС образцов малого объема: твердых и сыпучих материалов, возможно его применение для измерения ТФС жидкостей. Достоинством элемента Пельтье являются его простота конструкции и компактность, экологичность (рабочую среду устройства не требуется заполнять жидкостью или газом), а также его бесшумность. При изменении полярности тока, протекающего через элемент Пельтье, возможно как охлаждение, так и нагревание образца. Это дает возможность термостатирования при температуре как выше, так и ниже температуры окружающей среды. Основным недостатком элемента Пельтье является высокая потребляемая мощность для достижения заметной разности температур. Для увеличения разности температур рекомендуется использовать радиатор и вентилятор для охлаждения нагревающейся стороны элемента Пельтье. Применение лазерного излучения в методе температурных волн (особенно в диапазоне низких и средних температур) для регистрации температурных колебаний в исследуемом образце также является эффективным. При создании температурной волны с помощью лазерного излучения возможно применение как термопар, так и фотоэлектрических датчиков [15]. Один из основных недостатков применения лазера – нестабильность выходной мощности при создании излучения, мощность которого изменяется по периодическому закону. Это может отрицательно сказываться на точности измерения ТФС. Создание систем непрерывного лазерного излучения, обеспечивающих наибольшую стабильность выходной мощности, усложняет конструкцию средства измерения за счет использования механических модуляторов (прерывателей). Недостатком данного метода является необходимость использования дополнительного нагревателя для управления средней температурой образца. Методы решения уравнения теплопроводности для периодических тепловых воздействий. книге А. А. Кислицина [23] представлена схема установки (рис. 1.2) для определения теплопроводности и температуропроводности методом температурных волн. Исследуемое тело ИТ помещается между двумя эталонными телами ЭТ, теплофизические свойства которых заранее известны. Между первым эталонным телом и исследуемым образцом размещают плоский нагреватель, толщина которого в несколько раз меньше толщины исследуемого тела.  1 2 |